CN101316027A - 一种量子阱边发射半导体激光器的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体激光器技术领域，公开了一种用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，包括：A.在N型镓砷衬底上依次制备镓砷缓冲层和镓铟磷缓冲层；B.在镓铟磷缓冲层上依次制备铝镓铟磷限制层、光波导层和有源层，并形成分别限制异质结构；C.在外延片上通过两次光刻出双沟脊波导，制备脊形台面作为出光面；D.在脊形台面上淀积电绝缘膜；E.在电绝缘膜上制备P面电极；F.对N型衬底减薄抛光后制备N面电极。利用本发明，在保证脊形光波导激光器原有输出功率、电光转换效率基本不受影响的同时，增大了平行发散角，改善了激光器的输出光斑。

Description

一种量子阱边发射半导体激光器的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法。

背景技术

半导体激光器由于其体积小、寿命长、电光转化效率高等优点广泛应用于光存储、光显示、光通信等领域。半导体激光器中很大一部分比例是边发射激光器，它是直接利用半导体材料的自然解理面来做谐振腔面，工艺简单、晶面完美。但边发射激光器所固有的一些缺陷，如光束发散角大、光束质量差等问题的存在，给实际应用带来了很大困难。

众所周知边发射量子阱半导体激光器的输出光斑是椭圆形的不对称光斑。造成边发射激光器光斑不对称的主要原因是有源区材料的不对称，尤其是目前广泛应用的量子阱半导体激光器，量子阱激光器是由注入有源区的过剩载流子(电子或空穴)在达到粒子数反转时发生受激辐射复合而形成的激光。

从材料组份来讲，量子阱是由一种窄带隙材料夹在上下两层宽带隙材料组成的，中间的窄带隙材料通常是一个超薄层，可由金属有机化合物气相沉淀法(MOCVD)或分子束外延技术(MBE)生长而成，沿生长方向也就是横向，有源层的厚度只有几个纳米。而从侧向的器件结构来讲，脊形光波导结构激光器的脊形台面一般为几个微米，这种外延方向与脊形台面方向材料种类和尺寸的不对称导致了激光器端面输出光斑的不对称，通常垂直于脊形台面的垂直(横向)发散角比较大，一般为三、四十度，平行于脊形台面的平行(侧向)发散角比较小，为十度左右。

而通常在实际应用中对输出光斑有一定的要求，比如光存储和光纤通信领域，希望光斑越圆越小越好，也就是希望垂直发散角和平行发散角越接近并且越小越好，这有利于提高光存储中数据的读取速度，也有利于在光纤通信中提高激光器与光纤的耦合效率。

由于脊形台面的宽度远远大于横向外延方向的尺寸，因此两者之间的光场耦合可忽略，近似认为激光器的垂直发散角主要取决于材料的外延生长。而激光器的平行发散角则与脊形台面的宽度紧密相关。因此当外延片结构已确定的情况下，改善激光器光斑的方法之一是采用窄条脊波导，尤其是在基横模大功率半导体激光器的制备中，减小脊形台面宽度能增大半导体激光器的平行发散角。但减小脊形台面宽度会使激光器的有源区变小，从而影响了激光器输出功率的提高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，在保证脊形光波导激光器原有输出功率、电光转换效率基本不受影响的同时，增大平行发散角，改善激光器的输出光斑。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，该方法包括：

A、在N型镓砷衬底上依次制备镓砷缓冲层和镓铟磷缓冲层；

B、在镓铟磷缓冲层上依次制备铝镓铟磷限制层、光波导层和有源层，并形成分别限制异质结构；

C、在外延片上通过两次光刻出双沟脊波导，制备脊形台面作为出光面；

D、在脊形台面上淀积电绝缘膜；

E、在电绝缘膜上制备P面电极；

F、对N型衬底减薄抛光后制备N面电极。

上述方案中，步骤A中所述N型镓砷衬底为(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，所述步骤A包括：选用(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，采用金属有机化合物气相沉淀法在选用的N型镓砷衬底1上外延生长N型镓砷缓冲层2和N型镓铟磷缓冲层3。

上述方案中，所述步骤B包括：在所述镓铟磷缓冲层3上依次外延生长N型铝镓铟磷下限制层4、铝镓铟磷下光波导层5、有源区6、铝镓铟磷上光波导层7、重掺杂的镓铟磷腐蚀停止层9、P型铝镓铟磷上限制层8、P型镓铟磷带间层10和重掺杂的P型镓砷欧姆接触层11。

上述方案中，所述N型铝镓铟磷下限制层4、铝镓铟磷下光波导层5、铝镓铟磷上光波导层7和P型铝镓铟磷上限制层8的材料均采用铝镓铟磷，且N型铝镓铟磷下限制层4和P型铝镓铟磷上限制层8中的铝组分高于铝镓铟磷下光波导层5和铝镓铟磷上光波导层7中的铝组分，用于形成分别限制异质结构；

所述有源区6由镓铟磷量子阱和铝镓铟磷量子垒组成，为镓铟磷和铝镓铟磷材料系形成的压应变量子阱，有源区6与光波导层和上下限制层共同形成分别限制异质结构。

上述方案中，所述步骤C包括：在外延片上进行第一次光刻保留脊形台面上的光刻胶，将此光刻胶做腐蚀的掩蔽膜层，腐蚀脊形台面以外的镓砷欧姆接触层，形成双沟区的外边缘；第二次光刻腐蚀双沟区内部的镓砷欧姆接触层、镓铟磷带间层、铝镓铟磷上限制层的一部分，到腐蚀停止层9，形成特殊结构的脊形台面14，湿法腐蚀或干法刻蚀出脊形台面后不去光刻胶。

上述方案中，所述步骤D包括：在脊形台面上采用附带光刻胶低温淀积的方法淀积一层二氧化硅或氮化硅，随后再采用剥离的方法去掉光刻胶。

上述方案中，所述附带光刻胶低温淀积的方法为电子回旋共振等离子体化学气相沉积法(ECR plasma CVD)，所述淀积的二氧化硅或氮化硅的厚度为50至400纳米，所述剥离采用丙酮。

上述方案中，所述步骤C或步骤D中所述脊形台面在沿着激光器腔长的方向上并不是等宽的，端面附近的宽度小于中间的宽度，两端沿腔长方向逐渐变窄或者突然变窄，单边窄区域的长度不大于激光器总腔长的五分之四。

上述方案中，步骤F和步骤E中所述的P面和N面电极，其材料为与砷化镓形成良好欧姆接触的电极材料。

该方法在步骤F之后进一步包括：将具有P、N电极的片子解理成条作为激光器的谐振腔面，并在前、后腔面分别蒸镀增透膜和高反膜。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，在保证脊形光波导激光器原有输出功率、电光转换效率基本不受影响的同时，增大了平行发散角，改善了激光器的输出光斑。

2、本发明提供的这种用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，制备工艺简单、与现有常规激光器管芯制备工艺完全兼容，在外延片结构已经确定的情况下，通过这种方法可以有效改善半导体激光器的发散角和光斑。

3、本发明提供的这种用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，广泛适用于对光斑有特殊要求的基横模大功率半导体激光器。

附图说明

图1为本发明提供的制作量子阱边发射半导体激光器的方法流程图；

图2为本发明提供的量子阱边发射半导体激光器侧向剖面的示意图；

图3为本发明提供的沿量子阱边发射半导体激光器腔长方向脊形台面宽度改变的立体示意图；

图4为本发明提供的量子阱边发射半导体激光器的俯视图；

图5为本发明提供的沿量子阱边发射半导体激光器在腐蚀后的脊形台面形状的立体示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的制作量子阱边发射半导体激光器的方法，适合于一般的量子阱半导体激光器，下面以铝镓铟磷系量子阱半导体激光器为例来说明其原理。

铝镓铟磷材料系广泛用于制备激射波长在630nm到690nm的红光红波段的半导体激光器，在光存储、医疗、激光显示等领域有着广泛的应用前景，具体的应用领域主要取决于激光器的输出功率、光束发散角、器件可靠性等参数，比如输出功率小于200mW、基横模的铝镓铟磷半导体激光器主要用于光存储领域，如只读式的DVD和可擦写的DVD-RAM等，其读写速度主要取决于核心器件一半导体激光器的输出功率，另外为更好的聚光应使激光器的光斑越圆越好。

半导体激光器芯片的有源区采用压应变量子阱结构，利于制备650纳米以上的大功率半导体激光器。

如图1所示，图1为本发明提供的制作量子阱边发射半导体激光器的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：在N型镓砷衬底上依次制备镓砷缓冲层和镓铟磷缓冲层；

步骤102：在镓铟磷缓冲层上依次制备铝镓铟磷限制层、光波导层和有源层，并形成分别限制异质结构；

步骤103：在外延片上通过两次光刻出双沟脊波导，制备脊形台面作为出光面；

步骤104：在脊形台面上淀积电绝缘膜；

步骤105：在电绝缘膜上制备P面电极；

步骤106：对N型衬底减薄抛光后制备N面电极。

针对上述本发明提供的制作量子阱边发射半导体激光器的方法流程图，以下结合图2所示的量子阱边发射半导体激光器侧向剖面的示意图，对本发明进一步详细说明。

上述步骤101中所述N型镓砷衬底为(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，所述步骤101包括：选用(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，采用金属有机化合物气相沉淀法在选用的N型镓砷衬底1上外延生长N型镓砷缓冲层2和N型镓铟磷缓冲层3。在本步骤中，选用(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，这是因为偏角衬底一方面能抑制生长过程中亚稳态有序结构的形成；另外一方面还能提高限制层中P型杂质的掺杂浓度，提高电子的有效势垒，抑制有源区中电子的泄漏，这有利于制备大功率半导体激光器，且有更高的工作温度；镓铟磷和镓砷缓冲层是为了提高后续材料的生长质量。

上述步骤102包括：在所述镓铟磷缓冲层3上依次外延生长N型铝镓铟磷下限制层4、铝镓铟磷下光波导层5、有源区6、铝镓铟磷上光波导层7、重掺杂的镓铟磷腐蚀停止层9、P型铝镓铟磷上限制层8、P型镓铟磷带间层10和重掺杂的P型镓砷欧姆接触层11。

其中，N型铝镓铟磷下限制层4、铝镓铟磷下光波导层5、铝镓铟磷上光波导层7和P型铝镓铟磷上限制层8的材料均采用铝镓铟磷，且N型铝镓铟磷下限制层4和P型铝镓铟磷上限制层8中的铝组分高于铝镓铟磷下光波导层5和铝镓铟磷上光波导层7中的铝组分，用于形成分别限制异质结构。有源区6由镓铟磷量子阱和铝镓铟磷量子垒组成，为镓铟磷和铝镓铟磷材料系形成的压应变量子阱，有源区6与光波导层和上下限制层共同形成分别限制异质结构。P型镓铟磷带间层10的作用是有利于载流子在器件中的输运；铝镓铟磷上光波导层7与铝镓铟磷上限制层8之间插入一薄层的镓铟磷腐蚀停止层9，适合于窄条脊形波导激光器的制备。

上述步骤103包括：在外延片上进行第一次光刻保留脊形台面上的光刻胶，将此光刻胶做腐蚀的掩蔽膜层，腐蚀脊形台面以外的镓砷欧姆接触层，形成双沟区的外边缘；第二次光刻腐蚀双沟区内部的镓砷欧姆接触层、镓铟磷带间层、铝镓铟磷上限制层的一部分，到腐蚀停止层9，形成特殊结构的脊形台面14，湿法腐蚀或干法刻蚀出脊形台面后不去光刻胶。

在步骤103中，激光器芯片结构为双沟脊波导，这是为了减少器件的寄生电容，又利于器件的后续封装；第二次光刻腐蚀的脊形台面在沿着激光器腔长的方向上并不是等宽的，端面附近的宽度要小于中间的宽度，可以是两端沿腔长方向逐渐变窄，也可以是突然变窄。单边窄区域的长度不大于激光器总腔长的4/5。为不影响输出光功率，可以缩短窄区域的长度。

上述步骤104包括：在脊形台面上采用附带光刻胶低温淀积的方法淀积一层二氧化硅或氮化硅，随后再采用剥离的方法去掉光刻胶。所述附带光刻胶低温淀积的方法为电子回旋共振等离子体化学气相沉积法(ECRplasma CVD)，这种方法真空度高；所述淀积的二氧化硅或氮化硅的厚度为50至400纳米，由于淀积过程中台面上留有光刻胶，为防止光刻胶在高温环境中发生化学变化，可在较低温度下淀积；淀积的绝缘膜二氧化硅或氮化硅是用来隔离电注入的，要求淀积的薄膜几乎没有针孔、致密度高、绝缘性能好。所述剥离可以采用只溶解光刻胶、但不溶解绝缘膜的液体，比如丙酮。

其中步骤105和106中的P面和N面电极，是可以和砷化镓形成良好欧姆接触的电极材料。

该方法在步骤106之后还可以进一步包括：将具有P、N电极的片子解理成条作为激光器的谐振腔面，并在前、后腔面分别蒸镀增透膜和高反膜；这样一方面可以调节前后腔面的出光比例，另一方面又可以保护激光器的腔面。

基于图1所示的本发明制作量子阱边发射半导体激光器的方法流程图，以及图2所示的量子阱边发射半导体激光器侧向剖面的示意图，以下结合具体的实施例对本发明制作量子阱边发射半导体激光器的方法进一步详细说明。

实施例

请参阅图2～图5，本发明提供的制作量子阱边发射半导体激光器的方法，其器件的具体结构和制备工艺包含如下步骤：

(1)选用15度的N型镓砷衬底1，采用金属有机化合物气相沉淀法在N型镓砷衬底1上外延生长N型镓砷缓冲层2和N型镓铟磷缓冲层3。

(2)在N型镓铟磷缓冲层3上依次外延生长高铝组分的N型铝镓铟磷下限制层4、低铝组分的铝镓铟磷下光波导层5、有源区6、低铝组分的铝镓铟磷上光波导层7、高铝组分的P型铝镓铟磷上限制层8、期间插入一薄层的重掺杂的镓铟磷腐蚀停止层9、P型镓铟磷带间层10、重掺杂的P型镓砷欧姆接触层11；限制层和光波导层的材料均采用铝镓铟磷，但限制层中的铝组分高于光波导层中铝组分。有源区6由镓铟磷量子阱和铝镓铟磷量子垒组成。

(3)通过第一次光刻保留脊形台面上的光刻胶，将此光刻胶做腐蚀的掩蔽膜层，腐蚀脊形台面以外的镓砷欧姆接触层，形成双沟区的外边缘；第二次光刻腐蚀双沟区内部的镓砷欧姆接触层、镓铟磷带间层、铝镓铟磷上限制层的一部分，到腐蚀停止层9，形成特殊结构的脊形台面14，湿法腐蚀或干法刻蚀出脊形台面后不去光刻胶。双沟脊波导的侧向剖面图如图1所示；该脊形台面的特点是沿腔长发现脊形不等宽，靠近激光器端面两侧的脊台变窄，中间等宽，如图2所示；从宽到窄可以是突然变化的，也可以是缓变的脊台宽度，其俯视效果如图3所示。

(4)在已制备好的脊形台面上附带光刻胶淀积电绝缘膜，用丙酮等有机溶剂剥离脊形台面上方的光刻胶及电绝缘膜；

(5)在已形成脊形台面的镓砷欧姆接触层上制备P面电极12；

(6)将N面衬底减薄、抛光并制备N面电极13。

本发明提供的制作量子阱边发射半导体激光器的方法，制备工艺简单、与现有常规激光器管芯制备工艺完全兼容，在外延片结构已经确定的情况下，通过这种方法可以有效改善半导体激光器的发散角和光斑。具体工艺包括用金属有机化合物气相沉淀法在N型偏角镓砷衬底上进行镓铟磷和铝镓铟磷材料生长，光刻形成特殊结构的出光台面，制备红光铝镓铟磷激光器管芯。

本发明提供的制作量子阱边发射半导体激光器的方法，保证了半导体激光器的其它输出参数基本不受影响，同样也可以适用于其他材料系的半导体激光器。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于，该方法包括：

A、在N型镓砷衬底上依次制备镓砷缓冲层和镓铟磷缓冲层；

B、在镓铟磷缓冲层上依次制备铝镓铟磷限制层、光波导层和有源层，并形成分别限制异质结构；

C、在外延片上通过两次光刻出双沟脊波导，制备脊形台面作为出光面；

D、在脊形台面上淀积电绝缘膜；

E、在电绝缘膜上制备P面电极；

F、对N型衬底减薄抛光后制备N面电极。

2、根据权利要求1所述的用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于，步骤A中所述N型镓砷衬底为(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，所述步骤A包括：

选用(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，采用金属有机化合物气相沉淀法在选用的N型镓砷衬底(1)上外延生长N型镓砷缓冲层(2)和N型镓铟磷缓冲层(3)。

3、根据权利要求1所述的用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤B包括：

在所述镓铟磷缓冲层(3)上依次外延生长N型铝镓铟磷下限制层(4)、铝镓铟磷下光波导层(5)、有源区(6)、铝镓铟磷上光波导层(7)、重掺杂的镓铟磷腐蚀停止层(9)、P型铝镓铟磷上限制层(8)、P型镓铟磷带间层(10)和重掺杂的P型镓砷欧姆接触层(11)。

4、根据权利要求1所述的用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于，

所述N型铝镓铟磷下限制层(4)、铝镓铟磷下光波导层(5)、铝镓铟磷上光波导层(7)和P型铝镓铟磷上限制层(8)的材料均采用铝镓铟磷，且N型铝镓铟磷下限制层(4)和P型铝镓铟磷上限制层(8)中的铝组分高于铝镓铟磷下光波导层(5)和铝镓铟磷上光波导层(7)中的铝组分，用于形成分别限制异质结构；

所述有源区(6)由镓铟磷量子阱和铝镓铟磷量子垒组成，为镓铟磷和铝镓铟磷材料系形成的压应变量子阱，有源区(6)与光波导层和上下限制层共同形成分别限制异质结构。

5、根据权利要求1所述的用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤C包括：

在外延片上进行第一次光刻保留脊形台面上的光刻胶，将此光刻胶做腐蚀的掩蔽膜层，腐蚀脊形台面以外的镓砷欧姆接触层，形成双沟区的外边缘；

第二次光刻腐蚀双沟区内部的镓砷欧姆接触层、镓铟磷带间层、铝镓铟磷上限制层的一部分，到腐蚀停止层(9)，形成特殊结构的脊形台面(14)，湿法腐蚀或干法刻蚀出脊形台面后不去光刻胶。

6、根据权利要求1所述的用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤D包括：

在脊形台面上采用附带光刻胶低温淀积的方法淀积一层二氧化硅或氮化硅，随后再采用剥离的方法去掉光刻胶。

7、根据权利要求6所述的用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述附带光刻胶低温淀积的方法为电子回旋共振等离子体化学气相沉积法ECR plasma CVD，所述淀积的二氧化硅或氮化硅的厚度为50至400纳米，所述剥离采用丙酮。

8、根据权利要求1所述的用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述步骤C或步骤D中所述脊形台面在沿着激光器腔长的方向上并不是等宽的，端面附近的宽度小于中间的宽度，两端沿腔长方向逐渐变窄或者突然变窄，单边窄区域的长度不大于激光器总腔长的五分之四。

9、根据权利要求1所述的用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于，步骤F和步骤E中所述的P面和N面电极，其材料为与砷化镓形成良好欧姆接触的电极材料。

10、根据权利要求1所述的用于改善输出光斑的量子阱边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于，该方法在步骤F之后进一步包括：

将具有P、N电极的片子解理成条作为激光器的谐振腔面，并在前、后腔面分别蒸镀增透膜和高反膜。

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